بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاری التراسونیک بیش از بیست سال گذشته در صنایع تولیدی همانند حمل و نقل هوایی، پزشکی، میکرو الکترونیک و بسیاری صنایع دیگر مورد استفاده قرار گرفته است، توسعه این روش از جوشکاری منبعث از مشکلات عدیدهی که روشهای جوشکاری نفوذی با آن مواجه بودند است. یکی از مهمترین مزیتهای این روش از جوشکاری زمان انجام بسیار کوتاه - کمتر از یک ثانیه - میباشد، از این رو برای تولید انبوه مورد استفاده قرار میگیرد. با این وجود مشکلاتی همچون کیفیت و قدرت اتصال ضعیف از جمله ضعفهای این روش محسوب میشود.
در واقع کیفیت جوش به کنترل پارامترهای آن بستگی دارد. به منظور بررسی کیفیت جوش ایجاد مدل مناسب برای پیشبینی کیفیت بر پایه پارامترهای ورودی فرآیند یک کار اساسی به شمار میرود. در پژوهش حاضر از روش پاسخ سطح برای مدلسازی پارامترهای کنترل مانند دامنه ارتعاش، فشار جوش و زمان جوش برای جوشکاری فلزهای غیرهمجنس آلومینیوم - AA1100 - برنج - UNS C27000 - استفاده شده است. بررسی نتایج نشان داد که روش پیشنهادی از دقت بالایی در پیش بینی پارامترهای خروجی فرآیند برخوردار است.
واژگان کلیدی: جوشکاری فراصوتی، کیفیت جوش، مدلسازی به روش پاسخ سطح.
مقدمه
کاهش وزن با انگیزه کاهش انرژی و کاهش مصرف مواد اولیه یکی از موارد مورد بررسی در بخشهای مختلف مانند خودرو، هواپیما، راه آهن، پزشکی، میکروالکترونیک و غیره، با معرفی تکنیکهای جدید و نوآورانه میباشد . برای رسیدن به این اهداف، از موادی مانند آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم، آلیاژهای مس با مقاومت مصالح بالا، وزن سبک استفاده میشود. از آلومینیوم به طور گستردهای به عنوان بخشی از ساخت اجزای پیل سوختی در باتری، اتصال دستگاههای نیمه هادی، ترانزیستور و دیود به علاوه در صنعت هوا و فضا استفاده شده است اما موانع عمدهی استفاده از این مواد هدایت حرارتی بالا، هزینهی اتصال و ماشین کاری بالا میباشد. بنابراین لازم است در این اتصال به دنبال کاهش هزینه ها بود.
جوشکاری فراصوتی یکی از این روشهای امیدوار کننده برای اتصال این نوع فلز نرم است. جوشکاری فراصوتی برای اولین بار بین سالهای 1940 و سالهای توسعه یافت و برای اولین بار در اواسط قرن 20 در آمریکا به ثبت رسید .کاربرد اساسی برای جوشکاری فراصوتی شامل اتصال سیم در صنعت الکترونیک، آب بندی لوله در راکتورهای حرارتی و اتصال فویل نازک میباشد. این روش نیز برای اتصال مواد غیر هم جنس نیز مناسب میباشد.
در دههی شصت از آن برای اتصال فویل آلومنیوم و شیشه استفاده شده است اما نتایج برای مدت طولانی پایدار نیست. بنابراین، بسیاری از محققان نتایج کار تحقیقاتی خود را در آلومینیوم و آلیاژهای آن با استفاده از جوشکاری فراصوتی انجام دادهاند. جوشکاری فراصوتی تنها محدود به فلزات باقی نمانده است و از آن برای جوشکاری مواد دیگری مانند پلیمرها هم استفاده شده است. پارمار و پاندیا از این روش برای جوشکاری مواد پلیمری بر روی مواد غیرفلزی استفاده کردند. آنها برای به دست آوردن شرایط مختلف جوشکاری فرآیند را با مدل پاسخ سطح مدلسازی نمودند.
مواد معمولا پدیده نرم شدن به شکل ویژهای را زمانی که تحت بارهای فراصوتی قرار میگیرند از خود نشان میدهند. این نرم شدن در حین تحت بار فراصوتی قرار گرفتن، ناشی از دو مکانیزم نرم شدن حرارتی و نرم شدن آکوستیک است. گرم شدن حرارتی متاثر از حرارت تولید شده ناشی از اصطکاک در ارتعاشهای فرکانس بالا است. حرارت ایجاد شده بطور یکنواخت توسط ماده تحت بار جذب میشود. انرژی اکوستیک تولید شده توسط مبدل امواج فراصوتی به ماده منتقل میشود و به شکل محلی توسط عیوب ساختاری مانند حفرهها، نابه جایی ها، مرز دانهها و غیره جذب میشود.
در نتیجه به شکل قابل ملاحظهای انرژی حرکت نابجاییها کاهش مییابد که در نتیجه آن جریان تنش بشدت کاهش خواهد یافت .در جوشکاری فراصوتی، اتصال دو سطح فلزی به دلیل اصطکاک مانند حرکت نسبی بین آنها را با فشار گیره ایجاد میشود. در طول این حرکت، زبری محلی سطح، بیش از آن آلایندهها و اکسیدهای حاضر، تغییر شکل و ناپدید میشوند و اتصال فلز به فلز امکانپذیر میشود. از آنجا که این فرآیند یک فرآیند جوشکاری حالت جامد است، اتصال بدون ذوب فلز پایه رخ میدهد. به طور کلی ارتعاش در مبدلهای تولید شده و از طریق تقویت کننده به محل اتصال منتقل میشود.
جوشکاری فراصوتی
جوشکاری فراصوتی فرایند اتصال دو قسمت با استفاده از ارتعاشات فراصوتی فرکانس بالا میباشد که در این فرایند انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل میکند. این روش برای اتصال پلاستیکها و بسیاری از مواد فلزی مناسب میباشد. محدودهی فرکانس برای اتصال دو ماده 19-22 کیلو هرتز میباشد که با وجود فشار اتصال را در حرارت کم انجام میدهد که این حرارت ممکن است %50 نقطه ذوب باشد. همچنین این فرایند برای اتصال فلزاتی که با نقطه ذوب مختلف میباشند کاربرد دارد. شکل.1 یک سیستم جوشکاری فراصوتی را نشان میدهد. در این سیستم دو نوع نیرو اعمال میشود که یکی نیروی عمودی نرمال و دیگری نیروی نوسان ایجاد شده توسط سوناترود میباشد.
نحوه اتصال را نشان میدهد که شامل سه مرحله میباشد: در مرحلهی اول قطعهی بالا به وسیلهی نوک جوش تحت فشار قرار میگیرد در صورتی که قطعهی زیرین ثابت میباشد. که این عمل موجب حرکت نسبی قطعات بالا و پایین میشود. در مرحلهی دوم حرکت نسبی و ارتعاشات در ناحیهی اتصال تقریبا خنثی شده ولی ارتعاش بین قطعهی بالا و نوک جوش هنوز وجود دارد. در مرحلهی سوم دو صفحهی فلزی با افزایش دما تغییر شکل پلاستیک میدهند.
ریز ساختار آلومینیوم در فرایند جوشکاری فراصوتی را نشان میدهد. که میتوان لایه بسیار نازک تغییر شکل را مشاهده نمود. به وسیلهی ارتعاشات فراصوتی در ناحیهی جوش دانه بندیهای مطلوبی به وجود آمده است.
